放射治疗中角度最优化问题的研究
【摘要】：肿瘤放射治疗是一个非常复杂的过程，三维适形放射治疗和调强放射治疗技术的出现，使得治疗机参数大大增加，这些参数包括：射束能量、射束方向、射束元大小、射束权重、射束形状等。三维适形放射治疗和调强放射治疗技术在带来高精度治疗的同时，也使物理师在确定治疗机参数时更加困难：对不同部位的肿瘤都要选出最优的治疗机参数组合，仅仅依靠物理师的经验是不行的。因此有必要发展最优化算法来帮助物理师挑选出某些最优的治疗机参数。
本论文工作主要讨论放射治疗中的角度最优化问题，本文涉及的最优化问题包括：适形放疗中多叶准直器射野的最优角度适形射野计算、适形放疗中机架角的角度最优化方法以及调强放射治疗中机架角的角度最优化方法。
本文通过建立了任意准直器转角下的多叶准直器适形野计算程序，考察了旋转准直器角度对射野适形度的影响，提出用多个旋转的多叶准直器射野形成复合野以使靶区得到更均匀照射，从而避免靶区上的冷点和危及器官上的热点。
本文对三维适形放射治疗中的机架角度最优化方法进行探讨，比较了不同物理模型(微分卷积积分剂量模型、原射线剂量模型、几何模型)和不同角度最优化算法(遗传算法、淘汰算法)，用于计算最优化角度组合的计算时间和计算结果。
本文还考察了调强放疗和适形放射治疗中，候选角度数对机架角度最优化结果的影响。我们发现由于调强放射治疗中简并解的存在，使得在候选角度较多的情况下，用较少的遗传叠代数就可最优解。而适形放射治疗中，增加候选角度数目并不能加快遗传算法的收敛速度。
【关键词】：三维适形放射治疗 调强放射治疗 适形度最优化方法 机架角度最优化方法 遗传算法 目标函数 【学位授予单位】：四川大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：R730.5
【目录】：
- 摘要3-5
- ABSTRACT5-10
- 第一章 引言10-26
- 1.1 放射治疗原理及其在医学中的运用10-11
- 1.2 三维适形放射治疗11-13
- 1.2.1 3D-CRT的实施过程和方法12-13
- 1.2.2 3D-CRT的局限性13
- 1.3 调强放射治疗13-17
- 1.3.1 正向治疗计划和逆向治疗计划14-15
- 1.3.2 调强放射治疗的方法15-16
- 1.3.3 调强放射治疗在临床中的应用16-17
- 1.4 放射治疗中的最优化方法17-18
- 1.5 MLC射野适形度优化方法18-19
- 1.6 射束入射方向最优化19-26
- 1.6.1 选择单个射束方向的方法20-23
- 1.6.2 选择角度组合的方法23-25
- 1.6.3 本论文的工作25-26
- 第二章 适形放疗中多叶准直器射野适形度的最优化26-33
- 2.1 MLC适形野计算方法27
- 2.2 适形目标函数27-29
- 2.3 计算结果29-31
- 2.4 小结31-33
- 第三章 三维适形放射治疗中的机架角度最优化33-67
- 3.1 射野权重最优化33-35
- 3.1.1 最优化目标函数33-34
- 3.1.2 射野权重最优化算法34-35
- 3.2 遗传算法35-38
- 3.2.1 遗传算法的编码35-36
- 3.2.2 候选角度的确定36
- 3.2.3 个体适应度36-37
- 3.2.4 遗传演化37-38
- 3.3 基于剂量的角度最优化方法的程序设计38-40
- 3.4 基于几何模型的最优化方法40-45
- 3.4.1 靶区和危及器官相对位置的目标函数40-41
- 3.4.2 源距离靶区和危及器官的距离目标函数41-42
- 3.4.3 射束之间夹角的目标函数42
- 3.4.4 基于几何模型的最优化方法的程序设计42-45
- 3.5 结果和讨论45-65
- 3.5.1 使用基于微分卷积积分剂量模型作最优化角度计算45-50
- 3.5.2 使用基于原射线模型作最优化角度计算50-55
- 3.5.3 使用几何模型作最优化角度计算55-60
- 3.5.4 初始条件对收敛速度的影响60-63
- 3.5.5 基于淘汰算法的角度最优化选择63-65
- 3.6 小结65-67
- 第四章 调强放疗中的机架角度最优化67-74
- 4.1 强度分布最优化68-69
- 4.2 遗传算法69
- 4.3 结果和讨论69-74
- 总结74-76
- 附录A 剂量计算模型76-83
- A.1 原射线剂量计算76-77
- A.2 微分卷积积分法77
- A.3 原束剂量77-78
- A.4 单次散射光子剂量78-79
- A.5 多重散射光子剂量79-81
- A.6 非规则射野下的剂量计算81-82
- A.7 微分卷积积分法的剂量计算精度82-83
- 参考文献83-88
- 本人在学期间的研究成果及发表的论文88-89
- 声明89-90
- 致谢90
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